Hydrologie. Prof. Ing. Miloš Starý, CSc. Literatura Hydrologie pro kombinované studium Hydrologie. Metodické návody do cvičení

Transkript

1 Hydrologie Prof. Ing. Miloš Starý, CSc. Literatura Hydrologie pro kombinované studium Hydrologie. Metodické návody do cvičení 1

2 Přednášky Úvod, význam, základní pojmy Klimatičtí činitelé (srážky, vlhkost ovzduší) Geografičtí činitelé povodí Měření vodních stavů a průtoků Zpracování hydrologických dat Časové řady v hydrologii Režim vodních toků a etrémní průtoky Vodní nádrže 2

3 Teoretické vědní obory - V Hydor voda Logos výskyt Aulos - žlab Hydor + logos Hydor + aulos hydrologie hydraulika 3

4 Hydrologie Věda, která se systematicky a vlastními prostředky zabývá zákonitostmi výskytu a oběhu vody v přírodě Využití Vodní stavby, hydrotechnika Krajinné inženýrství Zdravotní inženýrství Dále stavebnictví a jiné rezorty 4

5 Vývoj hydrologie Starověké civilizace Do 15 stol. - intuice a dohady Do 19. stol. pozorování, měření, eperimenty, modernizace, matematizace Od r.1900 jako samostatný vědní obor (Pitotova trubice, Chézyho rovnice, Hydrometrická vrtule 5

6 Styčné vědní obory Meteorologie a klimatologie Pedologie a geologie Agrotechnika Hydraulika Využívá vědní obory Matematiku, teorii pravděpodobnosti a statistiku, fyziku, chemii a další 6

7 Dělení Hydrologie oceánů Hydrologie pevniny Hydrometeorologie Potamologie Limnologie Glaciologie Hydropedologie 7

8 Složky hydrologie Hydrometrie Hydrografie Stochastická hydrologie Kinematická hydrologie Inženýrská hydrologie Staniční síť Technologická linka (data režimová a operativní) 8

9 Kinematick Kinematická vlnov vlnová aproimace aproimace Kinematická vlna R g s y A Q t Q ga q t A Q 0 1 Difuzní vlna Kvazi-dynamická vlna Dynamická vlna Rovnice Saint Venanta 9

10 Oblasti platností typů vln dle K a Fr 2. Q. B Fr 3 g. S L. S. g K 2 v 10 2 K. Beven - M. Kirby: Channel Network Hydrology. John Wiley & Sons, UK, 1993, str

11 Hydrosféra 70,5 % zemského povrchu 1, km 3 celkový objem vody 1, km 3 moře a oceány 2, km 3 ledovce 2, km 3 podzemní voda 1, km 3 atmosféra (0,001%) 2, km 3 vodní toky 11

12 Koloběh vody na zemi V o = S o + P V p = S p P V o + V p = S o + S p V = S 12

13 Povodí, vodní útvar 13

14 Orografické a hydrologické povodí 14

15 Srážkoodtokový proces v povodí 15

16 Srážkoodtokový proces v povodí 16

17 SOP - evoluční problém Počáteční podmínky veličiny popisující stav vody v povodí v čase t = 0 Okrajové podmínky stacionární (přítok vody z rozvodnice je nulový) nestacionární (srážka nad povodím i(, y, t)) 17

18 Činitelé ovlivňující SOP Klimatičtí činitelé srážky, výpar, vlhkost ovzduší, teplota, tlak, vítr Geografičtí činitelé fyzikálně geografičtí, geologické vlastnosti, vegetační pokryv, říční síť 18

19 Modelování SOP Složité modely hydraulika + hydrologie Hydrologické modely značná zjednodušení Základní bilanční rovnice - etrémní zjednodušení!!! H H o o H H s s H v H v H R 19

20 Klimatičtí činitelé 20

21 Meteorologie a klimatologie Meteorologie jevy probíhající v zemské atmosféře momentální stav atmosféry předpovědi počasí Klimatologie nauka o podnebí klasifikace podnebí a vymezování klimatických oblastí studium kolísání a změn klimatu 21

22 Ovzdušné srážky 22

23 Srážky Podle skupenství - kapalné, pevné Podle směru - vertikální, horizontální Popis: úhrn, intenzita, vydatnost Pozorování srážek (staniční síť) - klimatické stanice (2020m, zatrav., oploc., ne mikroklima a vod.pl.) základní (7h, 14h, 21h + aut. reg.), doplňkové (7h) - srážkoměrné stanice Homogenita měření (79 km 2 ) Standardizace měření 23

24 Měření srážek - klasika Ombrometr, ombrograf, totalizátor 24

25 Měření srážek - operativa Impulsní srážkoměry Váhové srážkoměry 25

26 Měření srážek Meteorologický radar 26

27 Měření srážek Meteorologická družice - METEOSAT 27

28 Předpovědi srážek Lace Orografie v ČR Aladin 28

29 Srážky Plošné rozdělení srážek (úhrny za rok) ve světě: 2000 mm- rovník, 500 mm tropy a subtropy, mm mírný pás, 300 mm póly u nás: průměr 740 mm, 400 mm Ţatecko, 1000 mm a více hory Časové rozdělení srážek roční chod: rovník- 2 ma. 2 min, subtropy- ma. zima, min. léto, mírný- rovnom.u moře, vnitroz. ma. léto, min. zima denní chod (mírný pás): pobřeží- ma. den, min. noc, pevnina- 2 ma. a 2 min. Metody stanovení průměrných H s v povodí aritmetický průměr Hortonova (Thiessenova) polygonální metoda hyetografická křivka Prověření homogenity H s Podvojná součtová čára 29

30 Deště Srážky - kapalné, vertikální Orografické - přechod oblačnosti přes horské masívy Regionální - malá intenzita, velká zasažená plocha, dlouhá doba trvání povodně ve velkých povodích Přívalové - velká intenzita, malá zasažená plocha, krátká doba trvání povodně v malých povodích. Klasifikace Hellman, Wussov 30

31 Deště Ombrogram, čára náhradních intenzit (cvič.) Intenzita i A B C [mm.h-1] Periodicita _ p m M Průměrná doba opakování N _ 1 p M m [počet roků] 31

32 Deště - Truplovy diagramy ( i,, p) Odvození náhradní intenzity deště i N v malém povodí mapa α, souhrn SS (i 1, i 20 ), mapa i 1 Vztah mezi intenzitou a zasaţenou plochoufruhling, Specht 32

33 Sněhová pokrývka Vodní hodnota Specifická vodní hodnota V V VO VS. Objemová hmotnost m V SN SN Měření: sněhoměrná lať a sněhoměr, sněhoměrné snímky, družice Tání sněhové pokrývky Metoda stupeň-den HV H. SN H 45,72. k. T D 0,7 100 T i T P, i H H p, i T n T i 33

34 Vlhkost ovzduší 34

35 Vlhkost ovzduší Absolutní vlhkost -, e - koresponduje s teplotou e Relativní vlhkost - r 100 % E Maimální vlhkost - ma, E Sytostní doplněk d Vlhkoměry psychrometry vlasové kondenzační 35

36 Výpar 36

37 Výpar Výpar z vodní hladiny Výpar z holé půdy Výpar z rostlin (z povrchu, z pórů - transpirace, evapotranspirace) Klimatický výpar 37

38 Výpar z vodní hladiny V průměru 1 4 mm za den V průměru mm za rok Šermerův výparoměr 38

39 Výpar z půdy Lyzimetr Popova 39

40 Geografičtí činitelé 40

41 Geografičtí činitelé povodí Fyzikálně geometrické vlastnosti (poloha, velikost, tvar, sklonitost) Geologické vlastnosti (rychlost vsaku, drsnost, proudění v nenasycené a nasycené zóně) Vegetační pokryv (rychlost povrchového odtoku, infiltrace) Říční síť (rychlost odtoku vody z povodí) 41

42 Říční síť Řády toků 42

43 Říční síť Konvení a konkávní břeh 43

44 Říční síť Konvení a konkávní břeh 44

45 Říční síť 45 Vliv protáhlého a vějířovitého povodí na průběh odtoku

46 Měření vodních stavů a průtoků 46

47 Vodní stavy - měření Limnigrafická stanice 47

48 Bodové rychlosti - měření Hydrometrická vrtule 48

49 Stanovení průtoku měrným profilem Q u(, y) d d y A A dq Harlacher Q B h v d B B s 0 0 A s d B 49

50 Měrná křivka průtoku Q a b h c 2 h Q a h b c 50

51 Zpracování hydrologických dat 51

52 Zpracování hydrologických dat Q D Q, Q, C V,Q C S,Q E Q Pravděpodobnostní křivky Statistické charakteristiky 52

53 Pravděpodobnostní funkce F P A P A f A A P A f F a A A PA 1 b d d 53

54 Výběrové charakteristiky - metoda momentů D b 1 d a b 2 2 k a m f 2 D M m f D D M 3 C s, 3 M E C v, 3 m f 3 3 k a M b d d M 4 m f 4 4 k a b d 54

55 Statistické charakteristiky Výběrová charakteristika náhodného výběru Odpovídající parametr základního souboru - aritmetický průměr s směrodatná odchylka D* D C* v, C v, C* s, C s, E* E Statistická charakteristika Počet relizací 20 D,, C v, 40 C s, 80 E 300 M 5 []

56 Výběrové pravděpodobnostní křivky - konstrukce i min ma m 1 m n * * p F p P k i1 1 ik p i 1 ma i 0,3 p n 0,4 2 2 k k min 56

57 Výběrové charakteristiky - metoda momentů n n i i n s n i i 1 1 2, n k s C n i i v k i i 3, 1 3, 1 1 v n i i s C n k C * s M E n M n i i 1 4 4

58 Výběrové charakteristiky - metoda kvantilů S s s 50 C * v, s

59 Aproimace empirických rozdělení pravděpodobnosti teoretickými Normální N(, ) Log-normální N, y y f y ln f e 2 2 f f y y log log b a

60 Aproimace empirických rozdělení pravděpodobnosti teoretickými Pearson III f 2 e e C s 2 Foster - Rybkin

61 Časové řady v hydrologii

62 Průtokové řady t = 1 hodina..q h t = 1 den...q d t = 1 měsíc...q m t = 1 rok....q r t = celá délka měř. období.q a řada prům. hodinových průtoků řada prům. denních průtoků řada prům. měsíčních průtoků řada prům. ročních průtoků dlouhodobý průměrný průtok 62

63 Režim vodních toků Průběh průtoku Q d, Berounka/Křivoklát,

64 Dekompozice průtokové řady 64

65 Průtoky v toku jako náhodné procesy (posloupnosti) f(q,t), F(Q,t), P(Q,t), (Q,t), D(Q,t), (Q,t), C V (Q,t), C S (Q,t), E(Q,t), r(,t). Stacionární náhodný proces Nestacionární náhodný proces Kvazistacionární náhodný proces Ergodický náhodný proces 65

66 Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad Maimální délka Metoda momentů Prověřování homogenity Oprava etrémů Oprava vychýlení stat. char. 66

67 Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad Maimální délka Metoda momentů Prověřování homogenity Oprava etrémů Oprava vychýlení stat. char. 67

68 Rozdělení průtokových řad Umělá (syntetická) Průtoková řada Měřená Reálná Odvozená 68

69 Hydrologické poměry v ČR 69

70 Roční úhrn srážek na území ČR v roce

71 Roční úhrn srážek na území ČR v roce

72 Vyhodnocení srážek Normály ročních úhrnů 72

73 Dlouhodobý průměrný průtok Q a 73 Měření střední hodnota Bilanční rovnice m H H H v s o 1 3 p o a s m S H Q 1 3, s m S H H Q p v S a

74 Odtokové poměry Součinitel odtoku Specifický odtok q H H Q S p o, a s, a Specifické dlouhodobé průměrné odtoky - q a 74

75 Režim vodních toků Průtok přirozený: průtok vody v toku s přirozeným hydrologickým režimem (neovlivněný např. vzdutím hladiny vlivem vodní stavby) Průtok ovlivněný: průtok vody v toku s ovlivněným hydrologickým režimem Průtok setrvalý: průtok, který se po delší dobu výrazně nemění Průtok nalepšený: průtok záměrně zvětšený nad hodnotu přirozeného průtoku, např.doplňováním vody do toku z nádrže Průtok průměrný: střední hodnota průtoku za uvažované období Maimální průtok Q ma : největší (kulminační) průtok povodňové vlny v určitém období (den měsíc, rok, řada let) N-letý maimální průtok Q N : největší (kulminační) průtok povodňové vlny, který je dosažen nebo překročen v dlouhodobém průměru jednou za N let. (Q 1, Q 2, Q 5, Q 10, Q 20, Q 50, Q 100 ) Minimální průtok Q min : nejmenší průměrný denní průtok v určeném období (den měsíc, rok, řada let) N-letý minimální průtok Q N,min : nejmenší průměrný denní průtok, který je dosažen nebo nedostoupen průměrně jednou za N let 75

76 Klasifikace vodnosti jednotlivých roků Podklad čára překročení průměrných ročních průtoků Pravděpodobnost překročení [%] Označní stupně vodnosti 1 ~ 10 MV mimořádně vodný 11 ~ 45 V vodný 46 ~ 55 N normální 56 ~ 89 S suchý 90 ~ 99 MS mimořádně suchý 76

77 Etrémní průtoky

78 Maimální průtoky Hydrogram povodně 78

79 Maimální průtoky p = 1- e -p p = 1- e -1/N N p 0,01 0,02 0,05 0,10 0,18 0,39 0,63 p 0,01 0,02 0,05 0,10 0,20 0,50 1,00 N Q N Stanovení N-letých maimálních průtoků 79

80 Tvar návrhového hydrogramu povodně Typický tvar 80

81 Metoda izochron t V 1 = H 1.U 1 V 2 = H 2.U 1 + H 1.U 2 V 3 =H 3.U 1 + H 2.U 2 + H 1.U 3 V 4 = H 4.U 1 + H 3.U 2 + H 2.U 3 + H 1.U 4 V = H(U 1 + U 2 + U 3 + U 4 ) Q = H/tU 1 + U 2 + U 3 + U 4 ) Q N = i N. S P. 81

82 Maimální průtoky malá povodí Q N = i N. S p. Tab. p' 1 N i N N p k Intenzitní vzorec 82

83 Součinitelé odtoků Číslo Způsob zastavění a druh pozemku, příp. druh úpravy povrchu Sklonitost území do 1% 1-5% nad 5% I Zastavěné plochy ( střechy) 0,90 0,90 0,90 II Asfaltové a betonové vozovky, dlaţby se zálivkou 0,70 0,80 0,90 III Obyčejné dlaţby (pískové spáry) 0,50 0,60 0,70 IV Štěrkové silnice, dlaţba ze štětového kamene 0,30 0,40 0,50 V Nezastavěné plochy 0,20 0,25 0,30 VI Hřbitovy, sady, hřiště 0,10 0,15 0,20 VII zelené pásy, pole, louky 0,05 0,10 0,15 VIII Lesy 0,00 0,05 0,10 Poznámka: V tabulce uvedení odtokoví součinitelé mají platnost pro půdu střední propustnosti. U propustné půdy (písek) se zmenšuje o 10%, při nepropustné (jíl, skála) se zvyšuje o 10%. 83

84 Maimální průtoky malá povodí Eponenciální vzorce q A Q 100 p 100 n n n 1 S S p S p p A S A Q N = Q 100 N CN - křivky (DesQ) H o ( H H S S I I a a ) 2 A, V o = H o S P A =1000/CN 10 potenciální maimální retenci povodí I a = 0,2 A počáteční retence povodí v bezodtokové fázi 84

85 Minimální průtoky Absolutní minimální průtok - Q abs min N-letý minimální průtok - Q N,min Q 20,min Q 50,min Q 100,min m - denní vody - Q md Q 270d Q 355d Q 365d Q 10,min Minimální zůstatkový průtok Q 355d Iszkowského vztah - Q 0,2. n. Q abs, min a a Analogie - Q Q A a a K Q Q A 330d 330d Q Q A 50min 50min

86 Vodní nádrže

87 Vodní nádrže dv = [ Q( t ) - O(V(t)) ] dt dv Q( t) O( V ( t)) dt Základní rovnice nádrže 87

88 Vodní nádrže Batygrafické křivky 88

89 Vodní nádrže Funkční prostory v údolní nádrži 89

90 Vodní nádrže Transformace hydrogramu povodně - V RN 90